DE2917076C2

DE2917076C2 - Composite material made of plastic reinforced with carbon fibers and process for its manufacture

Info

Publication number: DE2917076C2
Application number: DE2917076A
Authority: DE
Inventors: Hans-Friedrich 8019 Glonn Siegling
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1979-04-27
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1982-04-22
Also published as: EP0018506A2; EP0018506A3; EP0018506B1; DE2917076A1

Description

Die Erfindung betrifft zunächst einen Verbundwerkstoff aus mit gegeneinander nicht verankerten Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff.The invention initially relates to a composite material made of carbon fibers that are not anchored to one another reinforced plastic.

Die Anwendung von Kohlenstoffasern zur Verstärkung von Kunststoff kommt der Forderung nach geringerem Gewicht bei gleicher oder noch höherer Tragkraft gegenüber konventionellen Werkstoffen besonders für den Luft- und Raumfahrzeugbau weilgehend nach. Die dabei auftretenden Probleme hinsieht lieh der Gestaltung von zu fertigenden Bauteilen werden bereits weitgehend beherrsch!, so daß der Anwendung von der konstruktiven Seite kaum mehr Hindernisse im Wege stehen. Es hat sich nun herausgestellt, daß Schwierigkeiten hinsichtlich des Brändverhaltens dieser Verbundwerkstoffe bisher nicht befriedigend gelöst werden konnten. Bei einem Brand von Geräten, die Teile aus kohlefaservefsläfklem Kuns'stoff aufweisen, verbrennt das Kunstharz bereits bei Temperaturen von — je nach Kunststoffart — etwa 400 bis 600° C vollständig, so daß nur noch die erst bei weit höheren Temperaturen verbrennenden Kohlenstoffasern nachbleiben. Durch die bei einem Brand, z. B. von Luftfahrzeugen, auftretenden starken Luftturbulenzen werden die relativ leichten und sehr dünnen Kohlenstoffasern mitgerissen und über große Gebiete verteilt Dabei gelangen die selbst leitfähigen Fasern auch in elektrische und elektronische Geräte und setzen diese dabei außer Funktion.The use of carbon fibers to reinforce plastic meets the demand lower weight with the same or even higher load capacity compared to conventional materials especially for the aerospace industry after. The problems that arise in this regard borrowed the design of the components to be manufactured are already largely mastered! so that the application from the constructive side is hardly any more Obstacles stand in the way. It has now been found that difficulties regarding the The fire behavior of these composite materials has not yet been satisfactorily resolved. At a fire of devices that use carbon fiber parts Have plastic, the synthetic resin already burns at temperatures of - depending on the type of plastic - about 400 to 600 ° C completely, so that only the only at Carbon fibers that burn at much higher temperatures remain. By in a fire, z. B. of aircraft, the strong air turbulence that occurs is relatively light and very thin Carbon fibers carried away and distributed over large areas. The fibers, which are themselves conductive, get there also in electrical and electronic devices and thereby render them inoperative.

ίο Durch den Aufsatz »Hybrid-Verbundwerkstoffe mit gerichteten Kurzfasern« aus der Zeitschrift Kunststoffe 67 (1977), Heft 12, Seiten 739-743, ist es bekannt, Glas- und Kohlenstoffasern miteinander zu vermischen. Hierbei handelt es sich jedoch um die allgemein auch fürίο With the attachment »Hybrid composites with directed short fibers "from the magazine Kunststoffe 67 (1977), Issue 12, pages 739-743, it is known glass and to mix carbon fibers together. However, these are also the general ones for

iä Glasfaserverbundwerkstoffe üblicherweise zu verwendenden hochschmelzenden und hochfesten Glasfasern, die zusammen mit den Kohlenstoffasern eine gewünschte Verbesserung der Schlagzähigkeit und vor allem auch eine Verbilligung des fertigen Hybridp* jduktes ergeben. iä glass fiber composites usually to be used high-melting and high-strength glass fibers that together with the carbon fibers create a desired Improvement of the impact strength and, above all, also a reduction in the price of the finished hybrid product result.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher auch bei Temperaturen, bei denen die Kunststoffmatrix bereits vollständig verbrannt bzw. vergast ist, noch einen Zusammenhalt der Kohlenstoffasern gewährleistetThe invention is based on the object of providing a composite material of the type mentioned at the beginning create which even at temperatures at which the plastic matrix has already been completely burned or burned. is gasified, the cohesion of the carbon fibers is still guaranteed

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Die Zusatzmaterialien bilden bereits in kleinen Mengen bei der Verbrennungstemperatur der Kunstharze genügende Mengen von Schlacken oder Agglomeraten. um die Kohlenstoffasern weitgehend zu binden und am Wegfliegen zu hindern. Sie bringen nur eine geringe Einbuße an den guten Werkstoffeigenschäften des Verbundwerkstoffes. In Betracht kommen dafür 7. B. Pulver oder Fasern aus niedrigschmelzendem Glas und niedrigschmelzenden Metallen. Die niedrigschmelzenden Glasfasern sind nicht hochfest, weil sie stark alkalihaltig sind. Sie sind somit nicht mit dem bei »Hybrid-Verbundwerkstoffen« verwendeten Glasfasern vergleichbar.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.
Even in small amounts, the additional materials form sufficient amounts of slag or agglomerates at the combustion temperature of the synthetic resins. in order to largely bind the carbon fibers and prevent them from flying away. They bring only a slight loss of the good material properties of the composite material. 7 B. Powders or fibers made of low-melting glass and low-melting metals are suitable for this purpose. The low-melting glass fibers are not high-strength because they contain a lot of alkali. They are therefore not comparable with the glass fibers used in “hybrid composites”.

Als Zusatzmaterial in Form von löslichen Verbindungen eignen sich z. B. metallorganische Verbindungen, die in Kunstharz oder dem Härter löslich sind. Bei Erhitzung durch einen Brand bilden die temperaturfesten Bestandteile der Verbindung eine, die Kohlenstofffasern schützende Schlacke. Als weitere Pulver oder lösliche Verbindungen sind übliche, an sich bekannte Flammenschutzmittel einsetzbar, wie z. B. Borax oder andere Borverbindungen, deren Schmelzen die Fasern schützen oder schaumbildende Silikate, die durch Schaumbildung die Fasern verkleben. Die vorgenannten Zusatzmaterialien sind nur Beispiele von möglichen weiteren bekannten Stoffen. Das wesentliche der Erfindung besteht in der Anwendung dieser Stoffe zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Aufgabe, die Kohlenstoffasern während eines Brandes zu binden und am Wegfliegen /u hindern.
Ausgestaltungen dieses Teils der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.As additional material in the form of soluble compounds are such. B. organometallic compounds that are soluble in synthetic resin or the hardener. When heated by a fire, the temperature-resistant components of the connection form a slag that protects the carbon fibers. As further powders or soluble compounds, conventional flame retardants known per se can be used, such as. B. Borax or other boron compounds, the melting of which protect the fibers, or foam-forming silicates that glue the fibers together through foam formation. The aforementioned additional materials are only examples of other possible known substances. The essence of the invention consists in the use of these substances to achieve the object of the invention of binding the carbon fibers during a fire and preventing them from flying away.
Refinements of this part of the invention are given in claims 2-5.

Die Erfindung betrifft sodann Verfahren zur Herstellung der vorgeschlagenen Verbundwerkstoffe, Ausgegangen wird Von bekannten Verfahren der Art, wie sie iril Gattungsbegriff der Ansprüche 6 Und 1 beschrieben sind.The invention then relates to methods for producing the proposed composite materials. The starting point is known methods of the type described in the generic term of claims 6 and 1 .

Gemäß diesem Teil der Erfindung sind die Verfahren in der irrt kennzeichnenden Teil der Ansprüche 6 und 7 angegebenen Weise ausgestaltetAccording to this part of the invention, the methods are in the erroneously characterizing part of claims 6 and 7 configured manner

Anspruch 8 ist auf eine vorteilhafte Ausgestaltung des Vorschlags nach Anspruch 7 gerichtet.Claim 8 is directed to an advantageous embodiment of the proposal according to claim 7.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.The following is a description of exemplary embodiments of the invention.

example 1

Ein Verbundwerkstoff soll aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Epoxidharz in Wickeltechnik hergestellt werden. Dabei werden etwa 5—10 Volumenprozent Pulver aus einem niedrigschmelzenden Glas dem Harz hinzugesetzt und vermischt. Im Tränkbad aus diesem Gemisch werden die durchlaufenden Kohlenstoffrovings in üblicher Weise getränkt und zu dem Verbundwerkstoff verarbeitet.A composite material is to be produced from epoxy resin reinforced with carbon fibers using winding technology will. About 5-10 percent by volume of powder from a low-melting glass becomes the resin added and mixed. The carbon rovings that run through are made from this mixture in the soaking bath soaked in the usual way and processed into the composite material.

Example 2

Zar Herstellung eines Faservlieses aus Kurzfasern werden etwa 90% Kohlenstoffasern mit etwa 10%For the production of a fiber fleece from short fibers, about 90% carbon fibers with about 10%

niedrigschmelzenden Glasfasern gemischt und in üblicher Weise zu Faservliesen verarbeitet und dann mit einer Polyesterharzlösung getränktlow-melting glass fibers mixed and put in Usually processed into nonwovens and then impregnated with a polyester resin solution

Example 3

Zur Herstellung von Kohlenstoffaser-Prepregs wird einer Epoxidharz-Härterlösung eine Lösung von Ferrocen in Tetrahydrofuran zugesetzt Die Fasern werden in üblicher Weise mit diesem Lösungsgemisch getränkt getrocknet und weiter verarbeitetFor the production of carbon fiber prepregs, an epoxy resin hardener solution is a solution of ferrocene in tetrahydrofuran added. The fibers are impregnated in the usual way with this mixed solution dried and further processed

Example 4

Zur Herstellung eines Bauteils aus einem mit Kohlenstoffasern verstärkten Polyimidharz werden Kohle-Kurzfasern, Polyimidharzpulver und Natriumborat gemischt und dann in üblicher Weise gepreßt und ausgehärtetFor the production of a component from a polyimide resin reinforced with carbon fibers Short carbon fiber, polyimide resin powder and sodium borate mixed and then pressed and cured in the usual way

Claims

Patent claims:

1. Composite material made of plastic reinforced with carbon fibers that are not anchored to one another, characterized by the addition of material which sinters in the vicinity of the combustion or gasification temperature of the synthetic resin, melts, or slagged, in such an amount that it breaks the carbon fibers during and holds together after the combustion and gasification of the plastic

2. Composite material according to claim 1, characterized in that the additional material consists of powder

3. Composite material according to claim 1, characterized in that the additional material consists of soluble Compounds that are added to the plastic or its hardener.

4. Composite material according to claim 1, characterized in that the additional material consists of fibers consists.

5. Composite material according to claim 4, characterized in that the fibers of the additional material are connected, e.g. B. as a fiber fabric or nonwoven fabric.

6. A process for the production of composite materials according to claims 1 to 4. in which the Carbon fibers are soaked with the plastic before or during processing and the plastic is then cured, characterized in that the additional material before or during the impregnation is mixed with the synthetic resin.

7. The method for producing composite materials according to claim 4 or 5, wherein the Carbon fibers are soaked with the plastic before or during processing and the plastic is then cured, characterized in that additional material is added before or during the impregnation during manufacture by winding technology wound between or on the carbon fibers or during the Manufactured by lamination between or on the carbon fibers or applied.

8. The method according to claim 7, characterized in that that part of the additional material is added to the plastic.